用户感性需求驱动的儿童陪伴机器人情感化设计研究

张倚歌 张建敏

关键词：情感化设计 儿童陪伴机器人 感性工学 聚类分析 多元回归分析法

引言

根据我国第七次人口普查的数据结果显示，0—14岁人口为2.5亿，占总人口的17.95%，其中3—6岁学龄前儿童超过1.8亿[1]。随着我国在2021年三胎政策的开放，新生儿的出生呈现上涨的趋势，学龄前儿童的数量也随之急剧增加。由于受到社会环境的影响，大部分家庭都是双职工家庭，父母都要外出工作，因朝九晚五、“996”“007”式等工作模式，父母都会选择把孩子托付给长辈、保姆或者托管班等进行照看。尤其经济发达的城市，学龄前儿童数量较多，儿童看护的市场需求较大，托管班的数量也远远不能满足需求[2]。

当前社会属于智能化的移动互联网时代，儿童的学习、娱乐方式从玩具、书本延伸到了手机、IPAD、电脑等，科技的发展丰富了儿童获取知识的途径，年轻一代的父母也会选择新奇的教育方式；因此，儿童陪伴机器人的出现是必然的，作为儿童与父母之间沟通的桥梁，用智能与技术连接父母与儿童情感的道路。

一、研究综述

情感是人对外界事物作用于自身时的一种生理反应，主要由需要和期望决定[3]。当这种潜在欲望获得满足时，会出现愉悦、欣喜的心理情感，相反，会产生痛苦和厌倦。情感化设计三层次理论是唐納德·A·诺曼在著作《情感化设计》中提出的，将产品设计分为了三个层次，分别对应用户情感需求的三个阶段，这三个层次分别为本能层、行为层与反思层[4]。本能层指产品的外观设计，由人的感官起直接的作用，人们会在一开始就判断出自己对这个产品的喜爱、无感、或者厌恶；行为层是无意识的，与产品的功能息息相关，功能要易懂，产品要具有易用性才能在本能层之上延续；反思层则更注重一个产品背后传达的意义和情感，在使用产品后能否获得愉悦的体验，使用户在情感上与产品达到共鸣。感性工学中通过感性意象挖掘使用者对产品的关注点、印象是产品造型设计中常使用的一种提取设计要素的方法，产品所呈现的特征、情感能使人们对产品形成特有的印象和想法。

钱皓等[5]基于用户需求，找出5个与儿童遥控车性能相关的语意，筛选出5个与之匹配的动物，建立李克特量表通过问卷调查选出最优意象仿生对象对儿童遥控车进行指导设计；李晓杰等[6]运用INPD结合感性工学为老年人辅助陪护机器人进行设计，通过SET因素角度分析产品来明确目标用户的需求，从市场上选取符合老年人需求的感性意象词汇样本，结合形态分析法为老年人多功能陪护产品进行再设计；陈豪强等[7]基于感性意象理论，搜集大量感性词汇，采用语义差异法得到被测者对住舱设计方案的感性评价，依此建立住舱内装关键设计要素模型，为舱室设计提供参考。

上述的诸多研究者，通过构建感性意象空间筛选最佳方案指导产品设计，在很大程度上将用户的情感需求量化在了产品设计中，本文由剖析市场上的儿童陪伴机器人现状，并总结其优缺点后，再经过研究筛选情感词汇并构建情感意象空间，用语义差异法对用户偏好进行定量分析，提取造型设计要素，结合情感化设计三层次理论对儿童陪伴机器人进行优化设计，为儿童陪伴机器人的造型设计提供新的思路。

二、儿童陪伴机器人产品现状分析

当前社会学龄前儿童的父母多为80、90后，这些年轻的父母对生活质量期望更高，且更注重孩子的成长与教育[8]。在时间和金钱都有限的情况下，这一群体更愿意尝试新型的教育方式，早教机器人、儿童陪伴机器人则更加契合年轻父母的工作与生活方式。但市场上现有的儿童陪伴机器人在外观、功能上都比较相似且单一，对于惊喜型的创新点研究较少[9]。笔者通过电商、线下商店、网站等搜集了30个经典儿童陪伴机器人产品，去掉功能重合、造型过于相似的产品后，从中挑选了三个具有代表性的不同造型、功能的陪伴机器人进行分析。

陪伴机器人是伴随着互联网时代快速发展的一个新兴家庭机器人产品，最早可以追溯到1999年，日本索尼公司推出狗狗形机器人AIBO，意为人工智能机器人，如图1所示，AIBO的诞生标志着机器宠物的面世，也意味着结合人工智能的娱乐型机器人正式步入家庭的日常生活。金属质感的喷漆和裸露的关节为AIBO增添了科幻感，当用户对AIBO进行抚摸时，AIBO会通过摇尾巴等行为进行反馈，以此增加用户与AIBO的情感联系，有不少家庭在购入AIBO后，把它当作真正的家人对待。

智伴机器人是智伴科技于2016年推出并延续升级至今的点触式教育机器人，如图2所示，主要功能为人工智能互动、辅导孩子课后学习、提供在线教学资源等。该款陪伴机器人造型圆润可爱，以白色和蓝色为主色调，通过触摸可以进行语音互动，该款机器人以实现功能为主，相比其他机器人少了科技感，靠外形与功能的多样化来吸引儿童，但国内市场上的同类型陪伴机器人不管是外观还是功能都同质化严重。

优必选AlphaEot机器人是深圳优必选公司研发的教育类人形机器人，和传统机器人的外观造型一样，采用黑白灰经典配色，整体由头部、躯干和四肢共同组成，具有简洁、帅气的科技感，可以实现教育、娱乐、少儿编程等功能，这些功能由语音和终端软件控制，尽管AlphaEbot定位为陪伴机器人，但缺乏对儿童主体的情感表达，传统机器人的造型虽然在外观上增加了酷炫感，但对于作为用户的学龄前儿童来说，是否能满足儿童的感性需求还有待考察。

综上所述，市场上的陪伴型机器人功能大多以作业辅导、在线学习、娱乐以及即时通讯为主，除了传统服务型机器人的类人形造型外，儿童陪伴机器人的外观设计同质化严重，且对于不同年龄阶段儿童的针对性较弱，导致了很多功能的浪费；也会造成家长作为消费主体对产品感到满意，而作为使用主体的儿童，却无法获得良好使用感的情况，缺乏对于儿童的情感表达与感性需求。

三、儿童陪伴机器人设计分析

（一）学龄前儿童心理与认知分析

3—6岁阶段的学龄前儿童已具备了基本的表象思维能力和一定的创造力，且想象力丰富[10]。该阶段的孩子对任何事情都产生了兴趣和探求欲，但由于大脑发育正处于起步阶段，因此注意力不持久，需要靠反复提醒、引导与加强记忆来提升逻辑思维能力。同时，这一时期的儿童活泼好动且热衷于模仿身边人的行为，而现阶段行动力的提升与他们的思考能力并不匹配，所以往往会做出危险举动而不自知。因此正确的家庭教育方式对学龄前儿童的成长与发展有很大的影响。

在视觉方面，该阶段儿童更偏爱色彩鲜明、饱和度高的颜色；在听觉方面，悦耳的声音更能带来愉悦感，儿童更容易对悦耳、温柔的声音产生正向反馈[11]；在触觉方面，相比冰冷的金属外壳，儿童对于柔软的触感更容易感到安心与熟悉。

（二）需求分析

根据上述对学龄前儿童特征与陪伴机器人现状的分析，可结合情感化设计三层次理论得出下表。

（三）感性意象词汇的选取

通过查阅大量儿童书籍、绘本、杂志、文献与线上电商评价等共收集到符合本次研究的感性词汇共200个，通过删掉语意相近的词汇并结合儿童需求后共整理出105个词汇作为第一步筛选的感性意象语意。邀请三十位设计人员在观察所给的标志性样本后，勾选最适合儿童陪伴机器人的形容词，将形容词被勾选的频次进行计算，选取勾选频次高达1/3（10次）的形容词共28个。

请受测者在仔细看过形容词后，应用人工分类法把受测者认为有相同或相似含义的形容词放入同一组群，各族群的词汇数量可以各不相同，人工分为4—6个群。

本次问卷调查共回收33份，其中失效问卷3份，随后对另外30份有效问卷进行整理统计。将上表中的28个意象词组成一个行、列项目相同的矩阵。对每两个感性词汇被归为同一组的次数进行统计，并将统计结果输入到该矩阵中，得到28x28的感性意象词汇相似性矩阵，进行降维处理。

在将矩阵放入SPSS中进行聚类分析之前，先用多维尺度分析法来确定本次意象词汇的拟合度，若拟合度为优，方可进行聚类分析[12]；其中，压力系数表示观察的距离与模型（即实际的距离）之间的拟合度[11]，拟合度越接近0.01代表结果越趋近于优。

将上述结果数据输入SPSS软件中，用多元尺度分析法进行分析，得出Stress=0.03422，说明拟合度接近于优，因此本次感性词汇的分析可用聚类分析。

进一步将上文数据进行聚类分析得出聚类表如表3所示，表中数据为感性意象词汇在分析过程中聚类的过程，系数代表两个意象词汇之间的距离。在聚类过程中，需先将距离相距最小、亲密程度最高的两个感性词整合为一类，以此为基准将28个感性词汇中距离最近的词汇归类到同一组中。

下图是意象语意词汇进行聚合的树状图，词汇聚類的实际距离根据词汇相关性调整为0-25。从对使用人群学龄前儿童及其家长的调研中可以看到，该用户群体对儿童陪伴机器人的感性需求很简单，他们更注重这类产品的外观、功能等方面。因此笔者在图中距离10-15间虚线处将28个意象词汇分为4群。

如下表所示，通过分析上表词汇的分组情况，将4群中的代表词汇选定为：“圆润的”“冰冷的”“实用的”“简洁的”这四个词汇。

从中挑选具有代表性的词汇构成4组形容词对：圆润的—几何的；冰冷的—温暖的；实用的—时尚的；简洁的—复杂的。

（四）样本选定

由于市场上的儿童陪伴机器人外观造型同质化现象严重，为避免儿童在对样本进行观察时因过于相似的外形导致意象打分模糊，因此样本没有在儿童陪伴机器人产品中进行选择；笔者从动画、电影等中选择了与儿童相关的9个意象样本如下表。

为了明确上述意象的形态语义基因对用户语意感受的具体影响，将各样本的外观造型按轮廓、色彩、尺寸、材质、类型五个方面进行形态语义风格的提取，并将各设计要素进行编码制成如表所示关系矩阵，其中，尺寸大于60cm为偏大，30—60cm为中等，小于30cm为偏小。

（五）建立意象与造型元素相关性

根据前文构成的4组词汇建立语意差异5阶量表如下表所示。

鉴于儿童群体的特殊性，在贵阳市向3—6周岁的孩子及其父母派发线上量表答卷共80份，由父母指导孩子对样本进行评价打分，回收答卷72份，其中有效答卷69份。将问卷数据输入spss计算各样本感性意象平均值如下。

根据造型设计要素的基本构成元素，对儿童陪伴机器人的轮廓，色彩，尺寸，材质，类型方面细化15个特征元素，随后对各个造型特征元素展开多元线性回归分析。根据数量化I类理论的原理[13]，对代表性样本的外观设计元素进行编码并量化，得到只包含“0”和“1”的矩阵，如下表所示。

根据上文样本将语意词汇得分与样本所提取的形态语义基因编码矩阵输入SPSS软件，进行多元线性回归分析。其中每项语意词汇作为回归方程的因变量，样本造型元素编码作为自变量，得到包括造型元素类目在语意词汇上的得分。样本造型类目与语意评分的拟合优度如下表所示，R²的取值范围在[0-1]之间。考虑到本次研究代表性样本的规模偏小，故R²值≤0.4时，可靠性较弱；R²值为04.—0.6时，可靠性中等，0.6以上则可靠性强。

由上表可得，用户模糊的感性意象量化为了清晰的数据，其中，圆滑的机身轮廓、中性色色彩、30—60cm的中等尺寸、光滑的材质、动物型会给用户带来圆润的、温暖的、简洁的和时尚的感性意象。

而硬朗的机身轮廓，中性色或冷色，整体偏小的尺寸等会给用户带来冰冷的感觉。因此在对儿童陪伴机器人进行外观设计时应该注重使用群体的感性需求，将上文得到的数据量化为具体的设计要素，结合意象语意对造型的轮廓、尺寸、材质等进行适当调整。

四、儿童陪伴机器人造型设计与实践

根据前文情感化设计理论和儿童陪伴机器人形态语义风格分析，设计一款针对3—7岁学龄前儿童的陪伴机器人。用三维建模软件将儿童陪伴机器人设计方案进行建模与渲染，最终效果图如图5、6所示。

将设计方案与前文感性语意词汇制成下述5阶里克特量表，向贵阳市学龄前儿童及家长发放问卷共133份，让受测者对该方案进行评分，回收有效问卷119份；由下表可知，结合前文调研所得结果，问卷感性意象词汇的意象均值绝对值均为较高分数，故该款儿童陪伴机器人的造型设计方案满足圆润的、温暖的、时尚的与简洁的感性意象；机器人可爱的动物外形符合学龄前儿童的审美，教学、陪伴、守护等实用功能实现了搭建父母与孩子间交流、沟通的桥梁，满足了父母与儿童对陪伴型机器人的期望与潜在感性需求，因此该方案可行。

该款儿童陪伴机器人的外观符合圆潤、温暖、简洁和时尚的特点。在外观上，采用中性色的组合搭配，以大面积白色为主色调，按键部分和显示屏金属外框采用灰色，白色、灰色与黑色的显示屏中和了外形的可爱与活泼，使机器人在外观上更具有科技感，符合用户的感性需求。机器人的材质选用ABS塑料，比金属材料更轻便，耐腐蚀性强，不易磨损；机身轮廓由圆滑的曲线体现，突出一体式线条的简洁感和流畅感，类似小浣熊的外观设计让机器人整体看起来圆润、可爱，卡通造型也更受小朋友喜爱，符合儿童感性需求，让儿童感到安心、亲近；该款儿童陪伴机器人为固定式，机身长350mm，宽480mm，小巧的小熊外形使机器人更轻巧，不会因为材质、重量对儿童造成伤害，使用的场景也更多，可以放在书桌上、茶几上和床上，让机器人可以像宠物一样陪伴儿童玩耍、学习，更有利于拉近与儿童的距离，建立亲密的关系。

机器人有开心、生气、难过三种表情，根据与用户的交互过程切换表情，如孩子今天在家完成了家庭作业，机器人会露出开心的表情陪孩子玩耍，如果孩子不小心打到或踢到机器人，会露出难过的表情；如果孩子玩游戏的时长超过家长规定的时间或持续玩游戏超过一小时，机器人会露出生气的表情并立刻关掉游戏进入待机模式，等候家长重新开启，如图7。

听筒位于机器人两只耳朵处，儿童通过语音按钮可以和机器人进行简单、日常的对话与互动，显示屏不仅可以表现当前机器人的情绪、儿童进行互动，还可以通过bluetooth连接手机、电脑等电子产品，将显示屏作为投影仪、与父母、朋友等视频通讯、线上课程学习、益智游戏等使用。在蓝牙连接成功后，按下音乐按钮可以选择歌单进行播放，作为智能音响使用；也可以点击语音按钮与机器人对话，可以对机器人进行语音控制；点击投影按钮可以使显示屏中播放的内容投影到大屏幕进行观看，实现家庭影院功能；将机器人与家长手机进行绑定后，点击视频按钮可以一键与父母进行视频通讯，便于与家长及时联系。该款产品与市场上其他儿童陪伴机器人相比，增加了监督与守护功能，家长外出不在家时，可以给机器人设定一小时学习时间或二十分钟益智游戏时间，通过手机蓝牙连接可以观看儿童的学习情况和进度，也可以查看儿童在家的安全情况；需要和儿童联系时，点击视频通话即可以和儿童进行通讯。如果家长发现儿童处于紧急情况，在无法联系其他人的情况下，可以在手机上一键报警，保护儿童安全，降低独自在家的风险。

结论

通过运用情感化设计三层次理论与感性工学的定量分析法研究用户的情感偏好与感性需求，将模糊的感性语意利用数据模型进行量化分析，提取产品的造型元素特征；通过分析感性语意和样本造型元素的相关性，提取造型风格语义和形态设计要素，构建基于用户感性需求与情感偏好的意象映射模型，得到产品造型元素设计方案；经过验证，代表该方案具有可行性，为儿童陪伴机器人的外观创新设计提供了思路与方法。但在实验过程中，由于儿童的不可控性，由家长引导完成问卷的可靠性有待考察，因此在后续研究中，将使用更为客观的方法进行实验。